綜述 | 生命早期微生物對健康的意義（第二部分；IF：29.886）

原文題目：The microbiome in early life: implications for health outcomes

期刊：Nature Medicine

IF：29.886

發表時間：2016年

通訊作者：Jose C Clemente

摘 要最近的研究已經表明了宿主遺傳、產前環境和分娩方式如何塑造新生兒出生時的微生物菌群。在此之後，抗生素治療、飲食或環境接觸等產後因素將進一步影響嬰幼兒微生物菌群的演變和免疫系統的發育，新生兒早期接觸各種微生物有機體一直以來被猜測對其有保護作用。此外，流行病學研究表明，能夠改變嬰兒時期細菌群落的因素，將會增加嬰兒在兒童時期患病的風險，強調了早期微生物組成的重要性。在這篇綜述中，我們闡述了產前和產後因素如何影響微生物組成和免疫系統的構建，同時討論了微生物介導療法的前景和更為有效的方法去重新調整細菌群落，使其從致病性恢復到自我平衡狀態。

綜述結構

引言

在過去的幾年裡，我們對微生物組的了解大大增加了，越來越多的證據表明，早期的異常細菌群落可能通過改變免疫系統的構建而導致疾病。流行病學研究已經證實，破壞嬰兒時期微生物群的因素、免疫和代謝條件之間有明確的相關性。然而，直到最近，我們才了解了嬰兒時期微生物群落的組成，以及打亂群落分布可能如何導致疾病。最近的研究也描述了改變微生物組成的干預措施，開闢了克服嬰兒時期微生物失衡作為一種預防性治療方法的可能性。

我們將闡述新生兒多個身體部位的微生物群落，但是本文中的主要重點在腸道中發現的微生物群落。在整個論述過程中，使用「生命早期」來表示生命前2年的時期。年齡小於4周齡的孩子將稱為「新生兒」，4周齡以上的孩子稱為「嬰兒」或「小孩」，一般來說，青春期年齡以下的稱「兒童」。首先概述影響嬰兒出生時及剛出生後微生物組成的主要因素，包括分娩方式，抗生素，飲食和周圍環境，然後描述早期生命微生物的組成是如何在免疫系統的建立過程中起決定性作用的，以及如何失衡可能在生命後期誘發疾病。最後，總結目前早期生命微生物與疾病之間關係的論證，討論干預改變微生物組成的治療前景。

1 新生兒出生時的微生物

1.1 產前因素

1.2 分娩

2 影響生命早期微生物的因素

2.1 抗生素

2.2 飲食

2.3 益生菌和膳食補充劑

2.4 環境接觸

2.5 宿主遺傳

1-2部分已經於第一篇微文中分享，可點擊以下鏈接查看：綜述 | 生命早期微生物對健康的意義（第一部分）

3新生兒微生物群在免疫系統構建中的作用

宿主微生物群與免疫系統之間的平衡對致病後的自我恢復和防止異常炎症至關重要（圖2)。多項研究報道，嬰幼兒的腸道微生態失調與慢性炎症相關，如肥胖，IBD或成人期的牛皮癬。

在順產過程中，嬰兒從母親的陰道、皮膚組織、糞便中獲得到他們最初的細菌接種物，使新生兒未成熟的免疫系統暴露於過量的細菌環境中。新生兒先天性免疫系統偏向於TH2表型，其與檢測到的蠕蟲和寄生蟲相關，但也與過敏反應的誘導有關，並且偏向於TH1細胞極化細胞因子以避免潛在的不良促炎症反應，從而使微生物存在於原來的位置並定植。這種免疫反應受損使免疫抑制，從而使新生兒更容易致病。因此，經常在不同時間和年齡段多次經歷致病性遭遇，會使免疫系統從TH2向TH1過渡（圖2），減少新生兒患過敏性疾病及成年時患過敏性疾病的機會。相反，嬰兒腸道處於微生態失調的狀態，會強烈地促進免疫系統向TH1偏倚，推動免疫系統促炎症反應，分泌細胞因子IL-12和干擾素（IFN）-g。處於這種炎癥狀態會促進組織損傷、增加感染率、降低組織修復能力，干擾正常的免疫調節系統，從而可能導致長期的不良後果，如患IBD，過敏和自身免疫性疾病。

圖2微生物和腸道免疫系統在早期生命中相互作用的長期影響

包括派伊爾氏淋巴集結和腸系膜淋巴結在內的二級淋巴結構在細菌定植之前在產前發育。腸道微生物定植後共生細菌和宿主免疫系統之間發生相互作用。派伊爾氏淋巴集結頂端表面的微皺褶細胞（M）通過胞吞作用對腔內抗原和細菌發揮免疫作用，之後樹突狀細胞（DCs）呈遞這些抗原以誘導T細胞依賴的B細胞成熟，促進分泌二聚體IgA，其在固有層的漿細胞中起著防禦病原體的關鍵作用。細菌也可以通過固有層中的DCs進行胞質轉運，並在排出的腸系膜淋巴結中呈遞給T細胞以誘導T細胞分化。在穩態環境中（左下），與共生細菌有關的MAMP通過刺激腸上皮調節性細胞因子產生（IL-25，IL-33，胸腺基質淋巴細胞生成素（TSLP）和轉化生長因子（TGF）-b）細胞，將信號轉導至DCs，誘導T_reg細胞的發育並促進IL-10分泌，在營養不良狀態（右下），共生細菌的減少導致病原體和病原體富集。由腸上皮細胞感知的致病MAMP誘導促炎症細胞因子（IL-1，IL-6和IL-18）的分泌，促進效應T細胞的發育,這些效應T細胞分化成CD4 + TH1和TH17細胞，其分泌促炎性細胞因子如IL-17，腫瘤壞死因子（TNF）-α和IFN-g，這些細胞因子誘導嗜中性粒細胞富集使宿主抵抗致病性感染。派爾氏斑塊中的B細胞成熟導致產生IgG，其通常與宿主自身免疫和變態反應相關。

最近在新生小鼠中進行的一項研究表明，小鼠免疫耐受性（缺乏對特定抗原反應的能力，這些抗原能夠使免疫系統區分「自我」與「非自我」組織）是在順產過程中獲得的，而不是通過剖宮產獲得的。順產小鼠能夠自發激活腸上皮細胞，並且對脂多糖（LPS)具有抗性，這種脂多糖是在嬰兒出生後不久，引起宿主免疫應答的革蘭氏陰性細菌膜中發現的分子。從而通過對感染免疫應答基因的下調產生耐受性。有研究在對芬蘭、俄羅斯卡累利阿和愛沙尼亞的222名嬰兒研究中，進一步探究了脂多糖和腸道微生物的組成對早期生命的作用。芬蘭和愛沙尼亞嬰兒腸道微生物組成以擬桿菌為主，因此這些嬰兒接觸到的脂多糖主要來源可能是這種細菌屬，然而，俄羅斯嬰兒腸道中擬桿菌的丰度明顯較低。研究發現來自擬桿菌的脂多糖在結構上，與來自其他細菌的不同，更特別的是，它還在體外和非肥胖糖尿病（NOD）小鼠中能夠抑制其耐受性。這些發現表明芬蘭和愛沙尼亞嬰兒患自身免疫性疾病概率較俄羅斯卡累利阿嬰兒高。

然而，不同種類的擬桿菌可以引起不同的免疫反應。例如，脆弱擬桿菌通過作用於調節性T（T_reg）細胞已被證明具有抗炎作用。脆弱擬桿菌產生表面多糖A（PSA），這種多糖是在T_reg細胞上被Toll樣受體2（TLR2）識別的一種微生物相關的分子模型（MAMP）。TLR2和PSA誘導T_reg細胞並限制TH17反應，由此促進腸道和免疫的耐受性。然而這種保護作用僅見於新生兒腸道免疫的發育中，在成年小鼠中並未發現。

4新生兒微生物與疾病

4.1早期生命微生物與疾病之間的關係

如上所述，新生兒的異常微生物群與兒童時期及以後患病相關。例如，在初始治療患有克羅恩病（CD）的兒童中，發現與健康兒童（腸道中的擬桿菌屬，鐵杆菌屬或瘤胃球菌屬的丰度較高）相比，患有CD的兒童腸道中富集韋榮球菌科、奈瑟氏球菌科及梭桿菌科。

哮喘的發病率也與嬰兒的腸道異常微生物相關。在對319名嬰兒腸道微生物的縱向分析中，發現儘管各組間兒童腸道中細菌多樣性和組成差異不明顯，但在1歲時，同時患有特應性過敏性疾病與哮喘的嬰兒腸道中Fecalibacterium、毛螺菌屬、羅思氏菌屬和韋榮球菌屬的含量與3月齡相比較，明顯降低了。根據計算預測，研究證實，在3個月齡時，LPS生物合成減少，短鏈脂肪酸乙酯的生成也減少。

最近針對對牛奶過敏的226名嬰幼兒研究中發現，3至6月齡的嬰兒腸道微生物組成與牛奶過敏相關，且一直持續到8歲，而不是7至12月齡或13至16月齡大幼兒。當小於6月齡嬰兒不再對牛奶過敏的時候，其腸道中梭狀芽胞桿菌和厚壁腸壁菌較豐，然而其能夠長時間在腸道中定植與高丰度的腸桿菌、沙門氏菌及Trabulsiella相關。較小年齡的嬰兒腸道中微生物組成發生這樣的變化，通常伴隨著細菌代謝脂肪酸的降低，這與觀察到的健康嬰兒腸道中鏈短脂肪酸水平低於牛奶過敏嬰兒的結果一致。這項研究和其他研究表明，生命早期腸道微生物群即使被短時間的破壞，在嬰兒以後的生活中也會引起不同的變化。

用無菌小鼠進行研究，可以更精確地確定微生物如何失衡導致疾病。例如，Fecalibacterium sp、毛螺菌屬、羅思氏菌屬和韋榮球菌屬 （FLVR）在患有特應性過敏性疾病和哮喘的嬰兒腸道中顯著減少。將這些細菌接種於患有氣道炎症模型的無菌小鼠中，發現炎症有所改善，類似地，將馬拉維雙胞胎中，與營養不良相關的微生物移植到無菌小鼠體內後，小鼠的體重下降了。Noval-Rivas及其同事還發現食物過敏模型小鼠的腸道微生物組成不僅與野生型（WT）小鼠不同，而且將食物過敏模型小鼠腸道微生物接種到野生型無菌小鼠時甚至可以促進小鼠對食物的過敏反應。總之，至少在動物模型中，這些研究結果清楚地表明了早期生命中的異常微生物和疾病之間的因果關係。

4.2微生物介導的療法

改變微生物組成的方法通常可以分為三大類：減少、調節、置換或修復。 例如，抗生素通常用於治療不一定由特定病原體引起的病症，原因是其具有有效減少腸道微生物的能力（圖3）。在治療嬰幼兒IBD中，有時通過單獨或聯合使用抗生素來治療疾病，然而，嬰幼兒時期長期使用抗生素會帶來很大的風險。

細菌含量也可以通過飲食干預來調節，從而阻止有害細菌的繁殖或促進有益細菌的生長（圖3）。腸內專用營養（EEN）是一個臭名昭著的例子， EEN由液體營養素組成的配方替代普通膳食成分，通過口服或餵食管餵養嬰幼兒。EEN被用作小兒克羅恩病的一線療法，能夠誘導臨床癥狀緩減並使炎症標記正常化。在最近一項對23名16歲以下CD患者的的研究中，15名患者接受EEN治療8周後，在改善了疾病狀況的同時反常地增加了與健康對照者之間的腸道微生物組成差異。這個意外的結果表明，此治療機制可能使結腸細菌含量水平降低和潛在有害細菌代謝物濃度較低。儘管EEN在治療兒科克羅恩氏病中取得了的成功，但是低適用性和低效的餵養方式（餵食管）使得長期使用EEN 非常困難。

圖3微生物治療疾病的整個過程

在臨床前階段，該疾病尚未顯現，癥狀不明顯，但微妙的生物學變化可能已經發生。諸如使用特定的細菌作為接種物防止早期腸道微生物失調導致疾病發展的方法，在疾病的早期階段可能是最有效的。隨著疾病的發展，體內微生物群的破壞導致病原生物富集（如紅色所示），產生促炎症代謝物和炎症通路激活（圖2）。保護上皮的粘液層由於疾病嚴重程度的增加而累積損傷變得更薄。在這個階段，飲食干預和抗生素可能被用來極大程度地控制細菌的含量。在晚期階段，持續的損傷導致粘液層進一步變薄，從而使細菌穿透上皮屏障。積極的抗生素治療結合糞便微生物移植可以使微生物平衡恢復在這一點上。

營養不良的研究提供了嬰兒時期飲食缺陷如何塑造腸道微生物群的極端例子。史密斯和他的同事研究了317名馬拉維雙胞胎生命前三年的腸道微生物組成。在研究過程中，發現43％的雙胞胎因營養不良，其腸道菌群不平衡。雖然健康雙胞胎的腸道微生物群逐漸呈現出成熟的趨勢，但是給予營養不良的雙胞胎專門治療營養不良的藥物後，其腸道微生物的組成也未能向健康雙胞胎嬰兒腸道微生物組成的狀態發展。這些結果表明，目前的飲食干預措施可能無法有效地將微生物轉化為非致病性狀態，因此迫切地需要進一步的研究以揭示不同飲食如何改變腸道微生物含量和健康狀況。

高度營養不良的環境可能需要更激烈的方法來改變腸道微生物的含量。糞便微生物群移植（FMT）旨在用外源性微生物替換本來存在腸道中的微生物（圖3）。FMT在難治性艱難梭菌感染的治療中非常有效（CDI），並且在治療兒童和青年人（7至21歲）潰瘍性結腸炎方面有所探究。然而，該療法在其他情況下的療效低於在治療CDI中的療效，需要進一步的研究優化提高FMT治療的因素（如劑量，給葯途徑和劑型）。此外，FMT的使用仍處於監管調整過程中，整個腸道菌群最終將被設計好的細菌群落所取代的前提是設計的微生物群落具有相當好的功效。在嬰幼兒腸道微生物移植的研究中，設計和實施都十分具有挑戰性，但是考慮到兒科IBD等疾病的治療選擇有限，預測這將是一個非常有趣的應用。鑒於早期微生物群對健康的影響，旨在恢復腸道微生物平衡的預防性治療是非常理想的（圖3）。最近的研究證明了，剖宮產嬰兒腸道中異常的微生物可以部分恢復至類似於順產嬰兒腸道微生物的狀態。用分娩前一小時引入產婦陰道內的紗布擦拭剖宮產嬰兒，其皮膚、口腔和肛門富集乳桿菌屬或擬桿菌屬，且這些剖宮產嬰兒腸道中的微生物群與順產嬰兒微生物群非常相似。這表明將陰道細菌轉移到缺乏這些菌的新生兒腸道中是可行的，儘管此過程對健康的影響尚未確定。

5 結論與展望

生命早期中的異常腸道微生物群與患疾病風險增加相關，但是我們仍然缺乏確鑿的證據證明這些異常的細菌群落實際是病原體。超越單純與特定細菌聯繫的機械學研究將提供更多有價值的信息而被人類所獲悉。然而，腸道菌群早期定植對晚期定植的影響只能了解部分。成年動物研究已經顯示了如何通過將膳食纖維發酵成可以誘導結腸中T_reg細胞的短鏈脂肪酸來調節免疫反應。因此需要類似的研究深入了解不同微生物群落在早期生命中如何影響免疫系統的構建。

值得注意的是，在研究設計和分析過程中，微生物組的個體差異往往被忽視。縱向研究中，每個研究對象作為自身對照可以改善這個問題，需要尋找更有效的方法分析已有的微生物數據。此外，關鍵的是鑒定新生兒微生物群在腸道以外器官中的變化，從而更好地認識影響這些身體部位病症的發病機理。

我們認為，目前僅通過測序來估計微生物組成的方法需要結合其他技術來量化細菌，並區分活細菌和死細菌。細菌免疫反應的強度取決於細胞活力，獲取細胞活力的方法將提供微生物如何塑造免疫和影響健康的更加豐富的見解。研究不僅僅局限於細菌類別，還涉及功能特性和機制。轉錄組學不僅可以提供樣本中的細菌和細菌基因的信息，而且還可以為宿主的轉錄活動提供信息。代謝組學也可以幫助確定細菌代謝物如何促進與宿主的相互作用以及它們如何影響宿主的健康狀況。

不同人群腸道中微生物的群落結構和多樣性也有很大差異。事實上，大腸桿菌或幽門螺桿菌菌株在不同人群中顯著不同。另外非致病細菌菌株之間的基因組差異也與其導致的疾病差異相關聯。明確來自不同人群的新生兒接觸到的不同的細菌對進一步闡明破壞微生物相關的條件至關重要。預計微生物干預可能預防或改善與早期生命中異常微生物相關的疾病。為實現這一願景，改變細菌群落的方法將不得不完善。調節人類微生物的研究只能在有限的時間內完成，因為細菌群落在干預停止後通常會迅速返回基線。此外，飲食干預可以快速改變微生物含量但對健康沒有意義。因此，不清楚這些改變需要多長時間才能永久改變微生物組成並改變病程。最近，糞便菌群移植治療潰瘍性結腸炎的研究結果似乎表明在成人治療中，短期的干預措施可能沒有價值。因此，測試微生物干預不同時間，不同劑量或不同輸送途徑的研究，將是決定生命早期可塑性細菌群落如何變化，以及為了治療目的如何對其進行修飾的基礎。雖然這些問題都是需要大量的努力才能得到回答的複雜問題，但是目前對嬰兒時期微生物群特徵化，取得了迅速的進展，這將有助於治療生命早期異常微生物導致的疾病。

本文由王瑞編譯，江舜堯編輯。